特開 2023-25999 金属鋳造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023025999

(43)【公開日】2023-02-24

(54)【発明の名称】金属鋳造方法

(51)【国際特許分類】

   B22D 27/06 20060101AFI20230216BHJP

   B22C 9/08 20060101ALI20230216BHJP

【ＦＩ】

B22D27/06 A

B22C9/08 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021131545

(22)【出願日】2021-08-12

(71)【出願人】

【識別番号】000208695

【氏名又は名称】第一高周波工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】591274299

【氏名又は名称】新報国マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100066

【弁理士】

【氏名又は名称】愛智 宏

(74)【代理人】

【識別番号】100100365

【弁理士】

【氏名又は名称】増子 尚道

(72)【発明者】

【氏名】高田 真司

(72)【発明者】

【氏名】新川 淳也

(72)【発明者】

【氏名】笹目 信吉

【テーマコード（参考）】

4E093

【Ｆターム（参考）】

4E093PB08

(57)【要約】

【課題】押湯のために鋳型に埋入・立設した耐火性パイプの内部における溶融金属が当該耐火性パイプの外周側に流動することのない金属鋳造方法を提供すること。
【解決手段】その下側部分が鋳型２０に埋入され、その内部空間１３が鋳型２０のキャビティ２３に連通するように耐火性パイプ１０を立設し、耐火性パイプ１０の鋳型２０に埋入されていない上側部分の外周側に誘導コイル４０を遊嵌し、鋳型２０のキャビティ２３および耐火性パイプ１０の内部に金属Ｍを注湯するとともに、耐火性パイプ１０の内部に注湯した金属Ｍを誘導加熱して溶融状態を維持することによって押湯を実施する金属鋳造方法において、耐火性パイプ１０は、内部空間１３を形成する管状部１１と、管状部１１の下端に形成された鍔状部１６とからなる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

耐火性パイプの下側部分が鋳型に埋入され、前記耐火性パイプの内部空間が前記鋳型のキャビティに連通するように前記耐火性パイプを立設し、前記耐火性パイプの前記鋳型に埋入されていない上側部分の外周側に誘導コイルを遊嵌し、前記鋳型のキャビティおよび前記耐火性パイプの内部に金属を注湯するとともに、前記耐火性パイプの内部に注湯した前記金属を誘導加熱して溶融状態を維持することによって押湯を実施する金属鋳造方法において、
前記耐火性パイプは、前記内部空間を形成する管状部と、前記管状部の下端に形成された鍔状部とからなることを特徴とする金属鋳造方法。

【請求項2】

前記耐火性パイプの内部に注湯された前記金属を１４００℃以上に誘導加熱することを特徴とする請求項１に記載の金属鋳造方法。

【請求項3】

前記金属が鋳鋼であることを特徴とする請求項２に記載の金属鋳造方法。

【請求項4】

前記耐火性パイプの構成材料の１０００～１６５０℃の範囲における熱膨張係数が５．０×１０^-6／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１～３の何れかに記載の金属鋳造方法。

【請求項5】

前記耐火性パイプが、アルミナグラファイト、ジルコニアグラファイト、溶融シリカ、導電性セラミックおよび黒鉛の何れかにより構成されていることを特徴とする請求項４に記載の金属鋳造方法。

【請求項6】

前記管状部の外径（Ｄ₁₁）が５０～４００ｍｍであり、
前記鍔状部の外径（Ｄ₁₆）が１００～８００ｍｍであり、
前記鍔状部における鍔の幅（Ｗ₁₆）が１０～３００ｍｍであることを特徴とする請求項１～５の何れかに記載の金属鋳造方法。

【請求項7】

前記誘導コイルの外径を（Ｄ₄₀）とするとき、〔（Ｄ₁₆－Ｄ₄₀）／２〕が１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の金属鋳造方法。

【請求項8】

前記鍔状部における鍔の厚さ（ｔ₁₆）が３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６または７に記載の金属鋳造方法。

【請求項9】

前記誘導コイルの下端から前記鍔状部までの距離（Ｌ₂ ）が５～２００ｍｍとなるよう前記耐火性パイプの下側部分を前記鋳型に埋入することを特徴とする請求項６～８の何れかに記載の金属鋳造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は金属鋳造方法に関し、更に詳しくは、鋳鋼などの溶融温度の高い金属から鋳物を作る際に好適な鋳造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属鋳造に際して引け巣等の鋳造欠陥を防ぐために押湯は必須不可欠なものである。
従来、押湯部を誘導加熱することにより押湯の小型化を図ることが行われている（下記特許文献１参照）。
また、あらゆる形状、大きさ、少量から多量まで、そして広汎な生産形態に自在かつ経済的に対応でき、同時に押湯部の切り取り作業の改善に顕著な効果をもたらす鋳造方法として、鋳型キャビティに連通するように該鋳型に埋入，立設した耐火性パイプの外側に誘導コイルを遊嵌し、金属注湯時、該誘導コイルで該耐火性パイプ内の溶湯を誘導加熱して該パイプ内の溶湯を最終凝固させる金属鋳造方法が本出願人により提案されている（下記特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭５５－６４９５８号公報

【特許文献2】特開平９－３１４３１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献２に記載された金属鋳造方法により、鋳鋼など溶融温度の高い金属を鋳造する場合には、耐火性パイプの内部に注湯された金属の温度を誘導加熱により１５００～１６００℃程度に維持する必要があり、耐火性パイプも同程度の温度となる。また、耐火性パイプが誘導発熱性の材料から構成されている場合には、耐火性パイプの温度は、内部における溶融金属の温度より高くなることもある。

【0005】

このような場合、耐火性パイプの内部における溶融金属の一部が、鋳型に埋入されている耐火性パイプの下端面を回り込み、耐火性パイプの外周面（鋳型等との界面）に沿って上昇して、鋳型から漏れ出てしまうことがある。
鋳型から漏れ出た溶融金属が誘導コイルに接触すると、当該誘導コイルの溶損や層間短絡などを招くおそれがある。

【0006】

本発明は以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、押湯のために鋳型に埋入・立設した耐火性パイプの内部における溶融金属が当該耐火性パイプの外周側に流動することのない金属鋳造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本発明の金属鋳造方法は、耐火性パイプの下側部分が鋳型に埋入され、前記耐火性パイプの内部空間が前記鋳型のキャビティに連通するように前記耐火性パイプを立設し、前記耐火性パイプの前記鋳型に埋入されていない上側部分の外周側に誘導コイルを遊嵌し、前記鋳型のキャビティおよび前記耐火性パイプの内部に金属を注湯するとともに、前記耐火性パイプの内部に注湯した前記金属を誘導加熱して溶融状態を維持することによって押湯を実施する金属鋳造方法において、
前記耐火性パイプは、前記内部空間を形成する管状部と、前記管状部の下端に形成された鍔状部とからなることを特徴とする。

【0008】

このような金属鋳造方法によれば、耐火性パイプの下端開口から流出した溶融金属は、鍔状部の端面（下端面）において冷却されて、当該鍔状部の外周縁に至る前に凝固する。これにより、耐火性パイプの内部における溶融金属が当該耐火性パイプの外周側（管状部の外周面）に流動することを防止することができる。

【0009】

（２）本発明の金属鋳造方法において、前記耐火性パイプの内部に注湯された前記金属を１４００℃以上に誘導加熱することが好ましい。
１４００℃以上の高温で耐火性パイプの内部における金属を加熱する場合に、鍔状部を備えた耐火性パイプを使用することは特に効果的である。

【0010】

（３）上記（２）の金属鋳造方法において、前記金属が鋳鋼であることが好ましい。
鋳鋼を鋳造する場合には、耐火性パイプの内部における当該鋳鋼を１５００℃以上に加熱する必要があるため、鍔状部を備えた耐火性パイプを使用することは特に効果的である。

【0011】

（４）本発明の金属鋳造方法において、前記耐火性パイプの構成材料の１０００～１６５０℃の範囲における熱膨張係数が５．０×１０^-6／Ｋ以下であることが好ましい。

【0012】

（５）上記（４）の金属鋳造方法において、前記耐火性パイプが、アルミナグラファイト、ジルコニアグラファイト、溶融シリカ、導電性セラミックおよび黒鉛の何れかにより構成されていることが好ましい。

【0013】

（６）本発明の金属鋳造方法において、前記管状部の外径（Ｄ₁₁）が５０～４００ｍｍであり、前記鍔状部の外径（Ｄ₁₆）が１００～８００ｍｍであり、前記鍔状部における鍔の幅〔Ｗ₁₆＝（Ｄ₁₆－Ｄ₁₁）／２〕が１０～３００ｍｍであることが好ましい。

【0014】

鍔の幅（Ｗ₁₆）が１０ｍｍ以上であることにより、鍔状部の端面（下端面）において、溶融金属を確実に冷却して凝固させることができる。
鍔の幅（Ｗ₁₆）が３００ｍｍ以下であることにより、誘導加熱時に押湯下のネック部における溶融金属が凝固して押湯の機能が損なわれることを防止することができる。

【0015】

（７）上記（６）の金属鋳造方法において、前記誘導コイルの外径を（Ｄ₄₀）とするとき、〔（Ｄ₁₆－Ｄ₄₀）／２〕が１０ｍｍ以上であることが好ましい。
（Ｄ₁₆－Ｄ₄₀）／２の値が１０ｍｍ以上であることにより、誘導コイルによる磁力線の影響を鍔状部が受けにくくなるので、当該鍔状部により十分な冷却効果を発揮することができる。

【0016】

（８）上記（６）または（７）の金属鋳造方法において、前記鍔状部における鍔の厚さ（ｔ₁₆）が３ｍｍ以上であることが好ましい。

【0017】

（９）上記（６）～（８）の金属鋳造方法において、前記誘導コイルの下端から前記鍔状部までの距離（Ｌ₂ ）が５～２００ｍｍとなるよう前記耐火性パイプの下側部分を前記鋳型に埋入することが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明の金属鋳造方法によれば、耐火性パイプの内部における溶融金属が耐火性パイプの外周側（管状部の外周面）に流動することはない。
これにより、溶融金属が鋳型から漏れ出て誘導コイルに接触することを回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の鋳造方法を実施する装置の一例の概略構成を示す断面図である。

【図2】本発明の鋳造方法に使用する耐火性パイプの形状を示す断面図である。

【図3】実施例の鋳造方法により得られた押湯部を含む鋳造製品の写真である。

【図4】比較例の鋳造方法により得られた押湯部を含む鋳造製品の写真である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１に示す装置を使用して行う本発明の金属鋳造方法は、耐火性パイプ１０の下側部分が鋳型２０に埋入されて、その内部空間１３が鋳型２０のキャビティ２３に連通するように当該耐火性パイプ１０を立設し、耐火性パイプ１０（鋳型２０に埋入されていない上側の部分）の外周側に誘導コイル４０を遊嵌し、鋳型２０のキャビティ２３および耐火性パイプ１０の内部空間１３に溶融金属Ｍを注湯するとともに、耐火性パイプ１０の内部に注湯した溶融金属Ｍを誘導加熱して溶融状態を維持することによって押湯を実施する方法であり、鍔状部１６を有する耐火性パイプ１０を使用する点に特徴を有する。
図１において、３０は、耐火性パイプ１０の内部における溶融金属Ｍの温度を測定するためのシース付の熱電対である。

【0021】

図２に示すように、本発明で使用する耐火性パイプ１０は、内部空間１３を形成する管状部１１と、この管状部１１の下端に形成された鍔状部１６とが一体的に成形されてなる。

【0022】

耐火性パイプ１０の構成材料としては、耐火性パイプ１０の内部に注湯した溶融金属Ｍ（押湯）への誘導加熱温度に耐える耐火性を有する材料を挙げることができる。

【0023】

具体的には１０００～１６５０℃の範囲における熱膨張係数が５．０×１０^-6／Ｋ以下である材料を好適に使用することができる。更に好ましい１０００～１６５０℃の範囲における熱膨張係数の範囲は、３．０×１０^-6／Ｋ以下である。
加熱温度範囲の熱膨張係数が５．０×１０^-6／Ｋ以下の材料から構成される耐火性パイプ１０によれば、誘導加熱時の熱衝撃による割れ（クラック）などの破損を十分に防止することができる。耐火性パイプ１０の構成材料は、誘導発熱性を有するものであっても、有しないものであってもよい。

【0024】

そのような構成材料の具体例としては、アルミナグラファイト（１０００℃近傍での熱膨張係数＝２×１０^-6／Ｋ程度）、ジルコニアグラファイト（１０００℃近傍での熱膨張係数＝４×１０^-6／Ｋ程度）、溶融シリカ（１０００℃近傍での熱膨張係数＝０．５×１０^-6／Ｋ程度）、導電性セラミックおよび黒鉛などを挙げることができる。

【0025】

管状部１１の外径（Ｄ₁₁）は５０～４００ｍｍであることが好ましく、更に好ましくは８０～２５０ｍｍ、好適な一例を示せば１２２ｍｍである。
管状部１１の内径（ｄ₁₁）は１０～３９０ｍｍであることが好ましく、更に好ましくは４０～２００ｍｍ、好適な一例を示せば８０ｍｍである。
管状部１１の壁厚〔ｔ₁₁＝（Ｄ₁₁－ｄ₁₁）／２〕は３～５０ｍｍであることが好ましく、更に好ましくは１０～３０ｍｍ、好適な一例を示せば２１ｍｍである。
耐火性パイプ１０の長さ（Ｌ₁₀）は１５０～１２００ｍｍであることが好ましく、更に好ましくは２５０～８００ｍｍ、好適な一例を示せば３５２ｍｍである。

【0026】

鍔状部１６の外径（Ｄ₁₆）は１００～８００ｍｍであることが好ましく、更に好ましくは１５０～４００ｍｍ、好適な一例を示せば２２２ｍｍである。

【0027】

鍔状部１６における鍔の幅〔Ｗ₁₆＝（Ｄ₁₆－Ｄ₁₁）／２〕は、１０～３００ｍｍであることが好ましく、更に好ましくは３０～１５０ｍｍ、好適な一例を示せば５０ｍｍである。

【0028】

鍔の幅（Ｗ₁₆）が１０ｍｍ以上であることにより、耐火性パイプ１０の下端開口から流出した溶融金属Ｍを鍔状部１６の下端面１７において確実に冷却して凝固させることができる。
また、鍔の幅（Ｗ₁₆）が３００ｍｍ以下であることにより、鍔状部１６からの放熱が適度に抑制されるので、誘導加熱時に押湯下のネック部（誘導コイル４０の下端からキャビティ２３の上端までの部分）における溶融金属Ｍが凝固して押湯の機能が損なわれることを防止することができる。

【0029】

鍔状部１６における鍔の厚さ（ｔ₁₆）は３ｍｍ以上であることが好ましく、更に好ましくは１０～５０ｍｍ、好適な一例を示せば、管状部１１の壁厚（ｔ₁₁）と同じ２１ｍｍである。
鍔の厚さ（ｔ₁₆）が過小であると、耐火性パイプ１０の下端開口から流出した溶融金属Ｍを十分に冷却することができなくなることがある。

【0030】

耐火性パイプ１０は、鍔状部１６を含む下側部分が鋳型２０の内部に埋入されるように立設される。
図１において、鍔状部１６の下端面１７の位置は、キャビティ２３の上端面２４の位置と一致しているが、鍔状部１６の下端面１７とキャビティ２３の上端面２４とが高さ方向に離間するように、耐火性パイプ１０を立設してもよい。

【0031】

耐火性パイプ１０が立設される鋳型２０は上型２１と下型２２とにより構成され、注湯口２５およびキャビティ２３を有する。
鋳型２０の材料としては、通常の鋳鉄、鋳鋼、非鉄鋳物に使用する鋳型材料をすべて使用することができる。例えば、シェルモード砂、シャモット質耐火材、黒鉛基質耐火材、ジルコン基質耐火材、クロマイト基質耐火材等を適用できる。

【0032】

耐火性パイプ１０の内部に注湯された溶融金属Ｍを誘導加熱するために、耐火性パイプ１０（鋳型２０に埋入されていない上側の部分）の外周側に誘導コイル４０を遊嵌する。 誘導コイル４０としては、特に限定されるものではなく、押湯の加熱に使用されている従来公知のものを使用することができる。
誘導コイル４０の少なくともコイル内面およびコイル下面は、耐火物によりライニングされていることが好ましい。

【0033】

耐火性パイプ１０の外周側に誘導コイル４０を遊嵌できるように、誘導コイル４０の内径（ｄ₄₀）は、管状部１１の外径（Ｄ₁₁）より僅かに大きくなっている。

【0034】

また、誘導コイル４０の外径（Ｄ₄₀）は、耐火性パイプ１０の鍔状部１６の外径（Ｄ₁₆）よりも小さいことが好ましく、〔（Ｄ₁₆－Ｄ₄₀）／２〕の値が１０ｍｍ以上であることが好ましい。

【0035】

（Ｄ₁₆－Ｄ₄₀）／２の値が１０ｍｍ以上であれば、鍔状部１６が誘導コイルによる磁力線の影響を受けにくくなり、耐火性パイプ１０の下端開口から流出した溶融金属Ｍを鍔状部１６の下端面において確実に冷却して凝固させることができる。

【0036】

誘導コイル４０の下端からキャビティ２３の上端に至るネック部の長さ（Ｌ₁ ）は１５ ～２５０ｍｍであることが好ましく、好適な一例を示せば８０ｍｍである。
また、誘導コイル４０の下端から鍔状部１６までの長さ（Ｌ₂ ）は５～２００ｍｍであることが好ましく、好適な一例を示せば５９ｍｍである。
この長さ（Ｌ₂ ）を十分に確保することにより、鍔状部１６が誘導コイルによる磁力線の影響を受けにくくなり、耐火性パイプ１０の下端開口から流出した溶融金属Ｍを鍔状部１６の下端面１７において確実に冷却して凝固させることができる。

【0037】

誘導コイル４０は着脱自在に遊嵌されることが好ましく、例えば、鋳型２０のキャビティ２３および耐火性パイプ１０の内部に溶融金属Ｍが注湯された時点で、誘導コイル４０を装着し、誘導加熱を開始することが好ましい。

【0038】

誘導コイル４０による誘導加熱温度としては、１４００℃以上であることが好ましく、更に好ましくは１４５０℃以上、特に好ましくは１５００℃以上とされる。

【0039】

なお、誘導加熱をコンピュータ制御することによって、耐火性パイプ１０内の溶湯温度をプログラム制御できる。プログラム制御するときのプログラムパターンは、実操業で使用されている最適な押湯方案の凝固パターンを実測し、このパターンをプログラムパターンとして使用するようにすればよい。

【実施例0040】

＜実施例＞
図１に示すような断面構造を有する装置により鋳鋼の鋳造を行った。
鋳鋼としては、下記の組成を有し、溶融温度が約１６００℃のものを使用した。
（組成）
Ｃ：０．１３ｗｔ％、Ｓｉ：０．４５ｗｔ％、Ｍｎ：０．５ｗｔ％、Ｃｒ：０．５ｗｔ％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物
また、装置を構成する耐火性パイプ１０、および鋳型２０の仕様、ならびに誘導加熱条件は下記のとおりである。

【0041】

・耐火性パイプ１０の材質 ：アルミナグラファイト
・耐火性パイプ１０の長さ（Ｌ₁₀）：３５２ｍｍ
・管状部１１の寸法：外径（Ｄ₁₁）１２２ｍｍ、内径（ｄ₁₁）８０ｍｍ
・鍔状部１６の寸法：外径（Ｄ₁₆）２２２ｍｍ、厚さ（ｔ₁₆）２１ｍｍ
・鋳型２０の寸法 ：縦８００ｍｍ×横８００ｍｍ×高さ６００ｍｍ
・キャビティ２３の寸法：φ４００ｍｍ×１２０ｍｍ
・誘導コイル４０の寸法：外径（Ｄ₄₀）２１５ｍｍ、内径（ｄ₄₀）１４０ｍｍ、
長さ３１５ｍｍ
・ネック部の長さ（Ｌ₁ ）：８０ｍｍ
・誘導コイル４０の下端から鍔状部１６までの長さ（Ｌ₂ ）：５９ｍｍ

【0042】

また、鋳造条件および誘導加熱条件は下記のとおりである。
・注湯温度：約１５００℃
・誘導加熱温度および誘導加熱時間：
温度：約１６００℃、時間：５時間

【0043】

この実施例により得られた鋳造製品は、図３（写真）に示すように、押湯部との境界において溶融金属の漏れ出し（湯漏れ）の痕跡は全く認められなかった。

【0044】

＜比較例＞
鍔状部を有しない耐火性パイプ（外径１２２ｍｍ、内径８０ｍｍ、長さ３５２ｍｍ）を使用したこと以外は実施例と同様にして鋳鋼の鋳造を行った。
この比較例により得られた鋳造製品は、図４（写真）に示すように、押湯部のつけ根部分において溶融金属の漏れ出し（湯漏れ）の痕跡が認められた。

【符号の説明】

【0045】

１０ 耐火性パイプ
１１ 管状部
１３ 耐火性パイプの内部空間
１６ 鍔状部
１７ 鍔状部の下端面
２０ 鋳型
２１ 上型
２２ 下型
２３ 鋳型のキャビティ
２４ キャビティの上端面
２５ 注湯口
３０ 熱電対
４０ 誘導コイル
Ｍ 溶融金属

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】